От централизованных систем -к вычислительным сетям

1.1.1. Эволюция вычислительных систем

Концепция вычислительных сетей является логическим результатом эволюции компьютерной технологии. Первые компьютеры 50-х годов — большие, громоздкие и дорогие — предназначались для очень небольшого числа избранных пользовате­лей. Часто эти монстры занимали целые здания. Такие компьютеры не были пред­назначены для интерактивной работы пользователя, а использовались в режиме пакетной обработки.

Системы пакетной обработки

Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мэйнфрейма — мощ­ного и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подго­тавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр. Операторы вводили эти карты в компьютер, а распеча­танные результаты пользователи получали обычно только на следующий день (рис. 1.1). Таким образом, одна неверно набитая карта означала как минимум суточную задержку.

Конечно, для пользователей интерактивный режим работы, при котором можно с терминала оперативно руководить процессом обработки своих данных, был бы гораздо удобней. Но интересами пользователей на первых этапах развития вычис­лительных систем в значительной степени пренебрегали, поскольку пакетный ре­жим — это самый эффективный режим использования вычислительной мощности, так как он позволяет выполнить в единицу времени больше пользовательских за­дач, чем любые другие режимы. Во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины — процессора, в ущерб эф­фективности работы использующих его специалистов.

Многотерминальные системы — прообраз сети

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользо­вателей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделе­ния времени (рис. 1.2). В таких системах компьютер отдавался в распоряжение сразу нескольким пользователям. Каждый пользователь получал в свое распоря­жение терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Причем время реакции вычислительной системы было достаточно мало для того, чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером и других пользователей. Разделяя таким образом компьютер, пользователи получи­ли возможность за сравнительно небольшую плату пользоваться преимуществами компьютеризации.

Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра, рассредоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью цен­трализованной, некоторые функции — такие как ввод и вывод данных — стали распределенными. Такие многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Действительно, рядо­вой пользователь работу за терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас он воспринимает работу за подключенным к сети персональным компьютером. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферий­ным устройствам, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного

____________________________________ 1.1. От централизованных систем — к вычислительным сетям ______23

владения компьютером, так как он мог запустить нужную ему программу в любой момент и почти сразу же получить результат. (Некоторые, далекие от вычисли­тельной техники пользователи даже были уверены, что все вычисления выполня­ются внутри их дисплея.)

Таким образом, многотерминальные системы, работающие в режиме разделе­ния времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей. Но до появления локальных сетей нужно было пройти еще большой путь, так как многотерминальные системы, хотя и имели внешние черты распределен­ных систем, все еще сохраняли централизованный характер обработки данных. С другой стороны, и потребность предприятий в создании локальных сетей в это время еще не созрела — в одном здании просто нечего было объединять в сеть, так как из-за высокой стоимости вычислительной техники предприятия не могли себе позволить роскошь приобретения нескольких компьютеров. В этот период был справедлив так называемый «закон Гроша», который эмпирически отражал уро­вень технологии того времени. В соответствии с этим законом производительность компьютера была пропорциональна квадрату его стоимости, отсюда следовало, что за одну и ту же сумму было выгоднее купить одну мощную машину, чем две менее мощных — их суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности дорогой машины.

Появление глобальных сетей

Тем не менее потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга, к этому времени вполне назрела. Началось все с реше­ния более простой задачи — доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с компь­ютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли много­численным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса суперЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал—компьютер были ре­ализованы и удаленные связи типа компьютер—компьютер. Компьютеры получи-

24 Глава! • Общие принципы построения вычислительных сетей

ли возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что, собствен­но, и является базовым механизмом любой вычислительной сети. Используя этот механизм, в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхрони­зации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными сетевые службы.

Таким образом, хронологически первыми появились глобальные вычислитель­ные сети. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычислительных се­тей. Такие, например, как многоуровневое построение коммуникационных прото­колов, технология коммутации пакетов, маршрутизация пакетов в составных сетях.

Первые локальные сети

В начале 70-х годов произошел технологический прорыв в области производства компьютерных компонентов — появились большие интегральные схемы. Их срав­нительно невысокая стоимость и высокие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйн­фреймов. Закон Гроша перестал соответствовать действительности, так как деся­ток мини-компьютеров выполнял некоторые задачи (как правило, хорошо распараллеливаемые) быстрее одного мэйнфрейма, а стоимость такой мини-ком­пьютерной системы была меньше.

Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность покупать для себя компьютеры. Мини-компьютеры выполняли задачи управления техноло­гическим оборудованием, складом и другие задачи уровня подразделения пред­приятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной органи­зации по-прежнему продолжали работать автономно (рис. 1.3).

Но шло время, потребности пользователей вычислительной техники росли, им стало недостаточно собственных компьютеров, им уже хотелось получить возмож­ность обмена данными с другими близко расположенными компьютерами. В ответ

____________________________________ 1.1. От централизовонных систем - к вычислительным сетям 25

на эту потребность предприятия и организации стали соединять свои мини-компь­ютеры вместе и разрабатывать программное обеспечение, необходимое для их вза­имодействия. В результате появились первые локальные вычислительные сети (рис. 1.4). Они еще во многом отличались от современных локальных сетей, в первую очередь — своими устройствами сопряжения. На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались самые разнообразные нестандартные устройства со своим способом представления данных на линиях связи, своими типами кабелей и т. п. Эти устройства могли соединять только те типы компьюте­ров, для которых были разработаны, — например, мини-компьютеры PDP-11 с мэйн­фреймом IBM 360 или компьютеры «Наири» с компьютерами «Днепр». Такая ситуация создала большой простор для творчества студентов — названия многих курсовых и дипломных проектов начинались тогда со слов «Устройство сопряже­ния...».

Создание стандартных технологий локальных сетей

В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально ме­няться. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть — Ethernet, Arcnet, Token Ring. Мощным стимулом для их развития послужили пер­сональные компьютеры. Эти массовые продукты явились идеальными элементами для построения сетей — с одной стороны, они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой — явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач, а также разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов. Поэтому персональные компьютеры стали преобладать в локальных сетях, причем не только в качестве клиентских компьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с этих привычных ролей мини-компьютеры и мэйнфреймы.

Стандартные сетевые технологии превратили процесс построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Для создания сети достаточно было приобре-

26 Глава1 • Общие принципы построения вычислительных сетей

сти сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, стандарт­ный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и устано­вить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем, например, NetWare. После этого сеть начинала работать и присоединение каждого нового компьютера не вызывало никаких проблем — естественно, если на нем был уста­новлен сетевой адаптер той же технологии.

Локальные сети в сравнении с глобальными сетями внесли много нового в спосо­бы организации работы пользователей. Доступ к разделяемым ресурсам стал гораздо удобнее — пользователь мог просто просматривать списки имеющихся ресурсов, а не запоминать их идентификаторы или имена. После соединения с удаленным ресур­сом можно было работать с ним с помощью уже знакомых пользователю по работе с локальными ресурсами команд. Последствием и одновременно движущей силой та­кого прогресса стало появление огромного числа непрофессиональных пользовате­лей, которым совершенно не нужно было изучать специальные (и достаточно сложные) команды для сетевой работы. А возможность реализовать все эти удобства разработ­чики локальных сетей получили в результате появления качественных кабельных линий связи, на которых даже сетевые адаптеры первого поколения обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбит/с.

Конечно, о таких скоростях разработчики глобальных сетей не могли даже меч­тать — им приходилось пользоваться теми каналами связи, которые были в нали­чии, так как прокладка новых кабельных систем для вычислительных сетей протяженностью в тысячи километров потребовала бы колоссальных капитальных вложений. А «под рукой» были только телефонные каналы связи, плохо приспо­собленные для высокоскоростной передачи дискретных данных — скорость в 1200 бит/с была для них хорошим достижением. Поэтому экономное расходова­ние пропускной способности каналов связи часто являлось основным критерием эффективности методов передачи данных в глобальных сетях. В этих условиях различные процедуры прозрачного доступа к удаленным ресурсам, стандартные для локальных сетей, для глобальных сетей долго оставались непозволительной роскошью.

Современные тенденции

Сегодня вычислительные сети продолжают развиваться, причем достаточно быст­ро. Разрыв между локальными и глобальными сетями постоянно сокращается во многом из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным системам локальных сетей. В глобальных се­тях появляются службы доступа к ресурсам, такие же удобные и прозрачные, как и службы локальных сетей. Подобные примеры в большом количестве демонстри­рует самая популярная глобальная сеть — Internet.

Изменяются и локальные сети. Вместо соединяющего компьютеры пассивного кабеля в них в большом количестве появилось разнообразное коммуникационное оборудование — коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Благодаря такому обору­дованию появилась возможность построения больших корпоративных сетей, на­считывающих тысячи компьютеров и имеющих сложную структуру. Возродился интерес к крупным компьютерам — в основном из-за того, что после спада эйфории по поводу легкости работы с персональными компьютерами выяснилось, что сис­темы, состоящие из сотен серверов, обслуживать сложнее, чем несколько больших

____________________________________ 1.1. От централизованных систем - к вычислительным сетям 27

компьютеров. Поэтому на новом витке эволюционной спирали мэйнфреймы стали возвращаться в корпоративные вычислительные системы, но уже как полноправ­ные сетевые узлы, поддерживающие Ethernet или Token Ring, а также стек прото­колов TCP/IP, ставший благодаря Internet сетевым стандартом де-факто.

Проявилась еще одна очень важная тенденция, затрагивающая в равной степе­ни как локальные, так и глобальные сети. В них стала обрабатываться несвойствен­ная ранее вычислительным сетям информация — голос, видеоизображения, рисунки. Это потребовало внесения изменений в работу протоколов, сетевых операционных систем и коммуникационного оборудования. Сложность передачи такой мульти­медийной информации по сети связана с ее чувствительностью к задержкам при передаче пакетов данных — задержки обычно приводят к искажению такой информа­ции в конечных узлах сети. Так как традиционные службы вычислительных сетей — такие как передача файлов или электронная почта — создают малочувствительный к задержкам трафик и все элементы сетей разрабатывались в расчете на него, то появление трафика реального времени привело к большим проблемам.

Сегодня эти проблемы решаются различными способами, в том числе и с помо­щью специально рассчитанной на передачу различных типов трафика технологии ATM. Однако, несмотря на значительные усилия, предпринимаемые в этом на­правлении, до приемлемого решения проблемы пока далеко, и в этой области пред­стоит еще много сделать, чтобы достичь заветной цели — слияния технологий не только локальных и глобальных сетей, но и технологий любых информационных сетей — вычислительных, телефонных, телевизионных и т. п. Хотя сегодня эта идея многим кажется утопией, серьезные специалисты считают, что предпосылки для такого синтеза уже существуют, и их мнения расходятся только в оценке пример­ных сроков такого объединения — называются сроки от 10 до 25 лет. Причем счи­тается, что основой для объединения послужит технология коммутации пакетов, применяемая сегодня в вычислительных сетях, а не технология коммутации кана­лов, используемая в телефонии, что, наверно, должно повысить интерес к сетям этого типа, которым и посвящена данная книга.

1.1.2. Вычислительные сети — частный случай распределенных систем

Компьютерные сети относятся к распределенным (или децентрализованным) вы­числительным системам. Поскольку основным признаком распределенной вычис­лительной системы является наличие нескольких центров обработки данных, то наряду с компьютерными сетями к распределенным системам относят также муль­типроцессорные компьютеры и многомашинные вычислительные комплексы.

Мультипроцессорные компьютеры

В мультипроцессорных компьютерах имеется несколько процессоров, каждый из которых может относительно независимо от остальных выполнять свою програм­му. В мультипроцессоре существует общая для всех процессоров операционная система, которая оперативно распределяет вычислительную нагрузку между про-' цессорами. Взаимодействие между отдельными процессорами организуется наибо­лее простым способом — через общую оперативную память.

28 Глава1 • Общие принципы построения вычислительных сетей

Сам по себе процессорный блок не является законченным компьютером и по­этому не может выполнять программы без остальных блоков мультипроцессорного компьютера — памяти и периферийных устройств. Все периферийные устройства являются для всех процессоров мультипроцессорной системы общими. Территори­альную распределенность мультипроцессор не поддерживает — все его блоки рас­полагаются в одном или нескольких близко расположенных конструктивах, как и у обычного компьютера.

Основное достоинство мультипроцессора — его высокая производительность, которая достигается за счет параллельной работы нескольких процессоров. Так как при наличии общей памяти взаимодействие процессоров происходит очень быст­ро, мультипроцессоры могут эффективно выполнять даже приложения с высокой степенью связи по данным.

Еще одним важным свойством мультипроцессорных систем является отказоус­тойчивость, то есть способность к продолжению работы при отказах некоторых элементов, например процессоров или блоков памяти. При этом производитель­ность, естественно, снижается, но не до нуля, как в обычных системах, в которых отсутствует избыточность.

Многомашинные системы

Многомашинная система — это вычислительный комплекс, включающий в себя не­сколько компьютеров (каждый из которых работает под управлением собственной операционной системы), а также программные и аппаратные средства связи ком­пьютеров, которые обеспечивают работу всех компьютеров комплекса как единого целого.

Работа любой многомашинной системы определяется двумя главными компо­нентами: высокоскоростным механизмом связи процессоров и системным про­граммным обеспечением, которое предоставляет пользователям и приложениям прозрачный доступ к ресурсам всех компьютеров, входящих в комплекс. В состав средств связи входят программные модули, которые занимаются распределением вычислительной нагрузки, синхронизацией вычислений и реконфигурацией сис­темы. Если происходит отказ одного из компьютеров комплекса, его задачи могут быть автоматически переназначены и выполнены на другом компьютере. Если в состав многомашинной системы входят несколько контроллеров внешних устройств, то в случае отказа одного из них, другие контроллеры автоматически подхватыва­ют его работу. Таким образом, достигается высокая отказоустойчивость комплекса в целом.

Помимо повышения отказоустойчивости, многомашинные системы позволяют достичь высокой производительности за счет организации параллельных вычис­лений. По сравнению с мультипроцессорными системами возможности параллельной обработки в многомашинных системах ограничены: эффективность распараллели­вания резко снижается, если параллельно выполняемые задачи тесно связаны между собой по данным. Это объясняется тем, что связь между компьютерами многома­шинной системы менее тесная, чем между процессорами в мультипроцессорной системе, так как основной обмен данными осуществляется через общие многовхо-довые периферийные устройства. Говорят, что в отличие от мультипроцессоров, где используются сильные программные и аппаратные связи, в многомашинных систе­мах аппаратные и программные связи между обрабатывающими устройствами явля-

___________________________________ 1.1. От централизованных сиcтем - к вычислительным сетям 29

ются более слабыми. Территориальная распределенность в многомашинных комп­лексах не обеспечивается, так как расстояния между компьютерами определяются длиной связи между процессорным блоком и дисковой подсистемой.

Вычислительные сети

В вычислительных сетях программные и аппаратные связи являются еще более слабыми, а автономность обрабатывающих блоков проявляется в наибольшей сте­пени — основными элементами сети являются стандартные компьютеры, не имею­щие ни общих блоков памяти, ни общих периферийных устройств. Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных периферийных устройств — сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Каждый компьютер работает под управлением собственной операционной систе­мы, а какая-либо «общая» операционная система, распределяющая работу между компьютерами сети, отсутствует. Взаимодействие между компьютерами сети про­исходит за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи. С помощью этих сообщений один компьютер обычно запрашивает доступ к ло­кальным ресурсам другого компьютера. Такими ресурсами могут быть как данные, хранящиеся на диске, так и разнообразные периферийные устройства — принтеры, модемы, факс-аппараты и т. д. Разделение локальных ресурсов каждого компьюте­ра между всеми пользователями сети — основная цель создания вычислительной сети.

Каким же образом сказывается на пользователе тот факт, что его компьютер подключен к сети? Прежде всего, он может пользоваться не только файлами, дис­ками, принтерами и другими ресурсами своего компьютера, но и аналогичными ресурсами других компьютеров, подключенных к той же сети. Правда, для этого недостаточно снабдить компьютеры сетевыми адаптерами и соединить их кабель­ной системой. Необходимы еще некоторые добавления к операционным системам этих компьютеров. На тех компьютерах, ресурсы которых должны быть доступны всем пользователям сети, необходимо добавить модули, которые постоянно будут находиться в режиме ожидания запросов, поступающих по сети от других компь­ютеров. Обычно такие модули называются программными серверами (server), так как их главная задача — обслуживать (serve) запросы на доступ к ресурсам своего компьютера. На компьютерах, пользователи которых хотят получать доступ к ре­сурсам других компьютеров, также нужно добавить к операционной системе неко­торые специальные программные модули, которые должны вырабатывать запросы на доступ к удаленным ресурсам и передавать их по сети на нужный компьютер. Такие модули обычно называют программными клиентами (client). Собственно же сетевые адаптеры и каналы связи решают в сети достаточно простую задачу — они передают сообщения с запросами и ответами от одного компьютера к другому, а основную работу по организации совместного использования ресурсов выполняют клиентские и серверные части операционных систем.

Пара модулей «клиент - сервер» обеспечивает совместный доступ пользовате­лей к определенному типу ресурсов, например к файлам. В этом случае говорит, что пользователь имеет дело с файловой службой (service). Обычно сетевая опера­ционная система поддерживает несколько видов сетевых служб для своих пользова­телей — файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу удаленного доступа и т. п.

30 Глава1 • Общие принципы построения вычислительных сетей _______________________________________

ПРИМЕЧАНИЕ В технической литературе англоязычный термин «service» обычно переводится как «служба», «сервис» или «услуга». Часто эти термины используются как синонимы. В то же время некоторые специалисты различают термин «служба», с одной стороны, и термины «сервис» и «услуга», с другой. Под «службой» понимается сетевой компонент, который реализует некоторый набор услуг, а «сервисом» называют описание того набора услуг, который предоставляется данной службой. Таким образом, сервис - это интерфейс между потребителем услуг и поставщиком услуг (службой). Далее будет использоваться термин «служба» во всех случаях, когда различие в значении этих терминов не носит принципиального характера. _______________

Термины «клиент» и «сервер» используются не только для обозначения про­граммных модулей, но и компьютеров, подключенных к сети. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а если он их потребляет — клиентом. Иногда один и тот же компьютер может одновременно играть роли и сервера, и клиента.

Распределенные программы

Сетевые службы всегда представляют собой распределенные программы. Распре­деленная программа — это программа, которая состоит из нескольких взаимодей­ствующих частей (в приведенном на рис. 1.5 примере — из двух), причем каждая часть, как правило, выполняется на отдельном компьютере сети.

До сих пор речь шла о системных распределенных программах. Однако в сети могут выполняться и распределенные пользовательские программы — приложе­ния. Распределенное приложение также состоит из нескольких частей, каждая из которых выполняет какую-то определенную законченную работу по решению при­кладной задачи. Например, одна часть приложения, выполняющаяся на компьюте­ре пользователя, может поддерживать специализированный графический интерфейс, вторая — работать на мощном выделенном компьютере и заниматься статистичес­кой обработкой введенных пользователем данных, а третья — заносить полученные результаты в базу данных на компьютере с установленной стандартной СУБД. Распределенные приложения в полной мере используют потенциальные возмож­ности распределенной обработки, предоставляемые вычислительной сетью, и по­этому часто называются сетевыми приложениями.

Следует подчеркнуть, что не всякое приложение, выполняемое в сети, является сетевым. Существует большое количество популярных приложений, которые не являются распределенными и целиком выполняются на одном компьютере сети. Тем не менее и такие приложения могут использовать преимущества сети за счет встроенных в операционную систему сетевых служб. Значительная часть истории локальных сетей связана как раз с использованием таких нераспределенных при­ложений. Рассмотрим, например, как происходила работа пользователя с извест­ной в свое время СУБД dBase. Обычно файлы базы данных, с которыми работали все пользователи сети, располагались на файловом сервере. Сама же СУБД храни­лась на каждом клиентском компьютере в виде единого программного модуля.

____________________________________ 1.1. От централизованных систем — к вычислительным сетям ______31

Программа dBase была рассчитана на обработку только локальных данных, то есть данных, расположенных на том же компьютере, что и сама программа. Пользова­тель запускал dBase на своем компьютере, и она искала данные на локальном дис­ке, совершенно не принимая во внимание существование сети. Чтобы обрабатывать с помощью dBase данные на удаленном компьютере, пользователь обращался к услугам файловой службы, которая доставляла данные с сервера на клиентский компьютер и создавала для СУБД эффект их локального хранения.

Большинство приложений, используемых в локальных сетях в середине 80-х годов, являлись обычными, нераспределенными приложениями. И это понятно — они были написаны для автономных компьютеров, а потом просто были перене­сены в сетевую среду. Создание же распределенных приложений, хотя и сулило много преимуществ (уменьшение сетевого трафика, специализация компьютеров), оказалось делом совсем не простым. Нужно было решать множество дополнитель­ных проблем — на сколько частей разбить приложение, какие функции возложить на каждую часть, как организовать взаимодействие этих частей, чтобы в случае сбоев и отказов оставшиеся части корректно завершали работу, и т. д., и т. п. Поэто­му до сих пор только небольшая часть приложений является распределенными, хотя очевидно, что именно за этим классом приложений будущее, так как они в полной мере могут использовать потенциальные возможности сетей по распарал­леливанию вычислений.

1.1.3. Основные программные и аппаратные компоненты сети

Даже в результате достаточно поверхностного рассмотрения работы в сети стано­вится ясно, что вычислительная сеть — это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. Изу­чение сети в целом предполагает знание принципов работы ее отдельных элемен­тов:

• компьютеров;

• коммуникационного оборудования;

• операционных систем;

• сетевых приложений.

Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан много­слойной моделью. В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизован­ных компьютерных платформ. В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов — от персональных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью.

Второй слой — это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и явля­ются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль стали играть коммуникационные устройства. Кабельные сис­темы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концент­раторы из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на харак­теристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может

32 Глава1 • Общие принципы построения вычислительных сетей

представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нуж­но конфигурировать, оптимизировать и администрировать. Изучение принципов работы коммуникационного оборудования требует знакомства с большим количе­ством протоколов, используемых как в локальных, так и глобальных сетях.

Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операци­онные системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распре­деленными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать, насколько просто данная операционная система может взаимодействовать с другими ОС сети, на­сколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компь­ютер другого типа и многие другие соображения.

Самым верхним слоем сетевых средств являются различные сетевые приложе­ния, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно пред­ставлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевы­ми приложениями и операционными системами.

1.1.4. Что дает предприятию использование сетей

Этот вопрос можно уточнить следующим образом: в каких случаях развертывание на предприятии вычислительных сетей предпочтительнее использования автоном­ных компьютеров или многомашинных систем? Какие новые возможности появ­ляются на предприятии с появлением там вычислительной сети? И наконец, всегда ли предприятию нужна сеть?

Если не вдаваться в частности, то конечной целью использования вычисли­тельных сетей на предприятии является повышение эффективности его работы, которое может выражаться, например, в увеличении прибыли предприятия. Дей­ствительно, если благодаря компьютеризации снизились затраты на производство уже существующего продукта, сократились сроки разработки новой модели или ускорилось обслуживание заказов потребителей — это означает, что данному пред­приятию действительно нужна была сеть.

Более обстоятельно отвечая на вопрос, зачем предприятию сеть, начнем с рас­смотрения тех принципиальных преимуществ сетей, которые вытекают из их при­надлежности к распределенным системам.

Концептуальным преимуществом распределенных систем (а значит, и сетей) пе­ред централизованными системами является их способность выполнять параллель­ные вычисления. За счет этого в системе с несколькими обрабатывающими узлами в принципе может быть достигнута производительность, превышающая максимально возможную на данный момент производительность любого отдельного, сколь угодно мощного процессора. Распределенные системы потенциально имеют лучшее соотно­шение производительность-стоимость, чем централизованные системы.

Еще одно очевидное и важное достоинство распределенных систем — это их принципиально более высокая отказоустойчивость. Под отказоустойчивостью по­нимается способность системы выполнять свои функции (может быть, не в пол­ном объеме) при отказах отдельных элементов аппаратуры и неполной доступности

____________________________________ 1.1. От центролизованных систем — к вычислительным сетям ______33

данных. Основой повышенной отказоустойчивости распределенных систем явля­ется избыточность. Избыточность обрабатывающих узлов (процессоров в много­процессорных системах или компьютеров в сетях) позволяет при отказе одного узла переназначать приписанные ему задачи на другие узлы. С этой целью в распределенной системе могут быть предусмотрены процедуры динамической или статической реконфигурации. В вычислительных сетях некоторые наборы дан­ных могут дублироваться на внешних запоминающих устройствах нескольких компьютеров сети, так что при отказе одного их них данные остаются доступ­ными.

Использование территориально распределенных вычислительных систем боль­ше соответствует распределенному характеру прикладных задач в некоторых предметных областях, таких как автоматизация технологических процессов, бан­ковская деятельность и т. п. Во всех этих случаях имеются рассредоточенные по некоторой территории отдельные потребители информации — сотрудники, органи­зации или технологические установки. Эти потребители достаточно автономно решают свои задачи, поэтому рациональнее предоставлять им собственные вычис­лительные средства, но в то же время, поскольку решаемые ими задачи тесно вза­имосвязаны, их вычислительные средства должны быть объединены в единую систему. Адекватным решением в такой ситуации является использование вычис­лительной сети.

Для пользователя, кроме выше названных, распределенные системы дают еще и такие преимущества, как возможность совместного использования данных и уст­ройств, а также возможность гибкого распределения работ по всей системе. Такое разделение дорогостоящих периферийных устройств — таких как дисковые масси­вы большой емкости, цветные принтеры, графопостроители, модемы, оптические диски — во многих случаях является основной причиной развертывания сети на предприятии. Пользователь современной вычислительной сети работает за своим компьютером, часто не отдавая себе отчета в том, что при этом он пользуется дан­ными другого мощного компьютера, находящегося за сотни километров от него. Он отправляет электронную почту через модем, подключенный к коммуникацион­ному серверу, общему для нескольких отделов его предприятия. У пользователя создается иллюзия, что эти ресурсы подключены непосредственно к его компьюте­ру или же «почти» подключены, так как для их использования нужны незначи­тельные дополнительные действия по сравнению с использованием действительно собственных ресурсов. Такое свойство называется прозрачностью сети.

В последнее время стал преобладать другой побудительный мотив развертыва­ния сетей, гораздо более важный в современных условиях, чем экономия средств за счет разделения между сотрудниками корпорации дорогой аппаратуры или про­грамм. Этим мотивом стало стремление обеспечить сотрудникам оперативный до­ступ к обширной корпоративной информации. В условиях жесткой конкурентной борьбы в любом секторе рынка выигрывает, в конечном счете, та фирма, сотрудни­ки которой могут быстро и правильно ответить на любой вопрос клиента — о воз­можностях их продукции, об условиях ее применения, о решении любых возможных проблем и т. п. В большой корпорации вряд ли даже хороший менеджер может знать все тонкости каждого из выпускаемых фирмой продуктов, тем более что их номенклатура обновляется сейчас каждый квартал, если не месяц. Поэтому очень важно, чтобы менеджер имел возможность со своего компьютера, подключенного к корпоративной сети, скажем в Магадане, передать вопрос клиента на сервер, рас-

34 Глава1 • Общие принципы построения вычислительных сетей

положенный в центральном отделении предприятия в Новосибирске, и оператив­но получить качественный ответ, удовлетворяющий клиента. В этом случае клиент не обратится к другой фирме, а будет пользоваться услугами данного менеджера и впредь.

Чтобы такая работа была возможна, необходимо не только наличие быстрых и надежных связей в корпоративной сети, но и наличие структурированной ин­формации на серверах предприятия, а также возможность эффективного поиска нужных данных. Этот аспект сетевой работы всегда был узким местом в органи­зации доставки информации сотрудникам — даже при существовании мощных СУБД информация в них попадала не самая «свежая» и не в том объеме, кото­рый был нужен. В последнее время в этой области наметился некоторый про­гресс, связанный с использованием гипертекстовой информационной службы WWW — так называемой технологии intranet. Эта технология поддерживает дос­таточно простой способ представления текстовой и графической информации в виде гипертекстовых страниц, что позволяет быстро поместить самую свежую ин­формацию на WWW-серверы корпорации. Кроме того, она унифицирует просмотр информации с помощью стандартных программ — Web-броузеров, работа с кото­рыми несложна даже для неспециалиста. Сейчас многие крупные корпорации уже перенесли огромные кипы своих документов на страницы WWW-серверов, и со­трудники этих фирм, разбросанные по всему миру, используют информацию этих серверов через Internet или intranet. Получая легкий и более полный доступ к информации, сотрудники принимают решение быстрее, и качество этого решения, как правило, выше.

Использование сети приводит к совершенствованию коммуникаций, то есть к улучшению процесса обмена информацией и взаимодействия между сотрудника­ми предприятия, а также его клиентами и поставщиками, Сети снижают потреб­ность предприятий в других формах передачи информации, таких как телефон или обычная почта. Зачастую именно возможность организации электронной по­чты является основной причиной и экономическим обоснованием развертывания на предприятии вычислительной сети. Все большее распространение получают новые технологии, которые позволяют передавать по сетевым каналам связи не только компьютерные данные, но голосовую и видеоинформацию. Корпоративная сеть, которая интегрирует данные и мультимедийную информацию, может использо­ваться для организации аудио- и видеоконференций, кроме того, на ее основе мо­жет быть создана собственная внутренняя телефонная сеть.

Конечно, вычислительные сети имеют и свои проблемы. Эти проблемы в основ­ном связаны с организацией эффективного взаимодействия отдельных частей рас­пределенной системы.

Во-первых, это сложности, связанные с программным обеспечением — операци­онными системами и приложениями. Программирование для распределенных си­стем принципиально отличается от программирования для централизованных систем. Так, сетевая операционная система, выполняя в общем случае все функции по управлению локальными ресурсами компьютера, сверх того решает многочис­ленные задачи по предоставлению сетевых служб. Разработка сетевых приложений осложняется из-за необходимости организовать совместную работу их частей, вы­полняющихся на разных машинах. Много забот доставляет обеспечение совмести­мости программного обеспечения.

____________________________________ 1.1, От централизованных систем — к вычислительным сетям ______35

Во-вторых, много проблем связано с транспортировкой сообщений по каналам связи между компьютерами. Основные задачи здесь — обеспечение надежности (чтобы передаваемые данные не терялись и не искажались) и производительности (чтобы обмен данными происходил с приемлемыми задержками). В структуре об­щих затрат на вычислительную сеть расходы на решение «транспортных вопро­сов» составляют существенную часть, в то время как в централизованных системах эти проблемы полностью отсутствуют.

В-третьих, это вопросы, связанные с обеспечением безопасности, которые го­раздо сложнее решаются в вычислительной сети, чем в централизованной системе. В некоторых случаях, когда безопасность особенно важна, от использования сети лучше вообще отказаться.

Можно приводить еще много «за» и «против» использования сетей, но главным доказательством эффективности является бесспорный факт их повсеместного рас­пространения. Трудно найти сколь-нибудь крупное предприятие, на котором не было хотя бы односегментной сети персональных компьютеров; все больше и боль­ше появляется крупных сетей с сотнями рабочих станций и десятками серверов, некоторые большие организации и предприятия обзаводятся частными глобаль­ными сетями, объединяющими их филиалы, удаленные на тысячи километров. В каждом конкретном случае для создания сети были свои резоны, но верно и общее утверждение: что-то в этих сетях все-таки есть.

Выводы

» Вычислительные сети явились результатом эволюции компьютерных технологий.

» Вычислительная сеть — это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи. Линии связи образованы кабелями, сетевыми адаптерами и другими ком­муникационными устройствами. Все сетевое оборудование работает под управ­лением системного и прикладного программного обеспечения.

* Основная цель сети — обеспечить пользователям сети потенциальную возмож­ность совместного использования ресурсов всех компьютеров.

» Вычислительная сеть — это одна из разновидностей распределенных систем, достоинством которых является возможность распараллеливания вычислений, за счет чего может быть достигнуто повышение производительности и отказо­устойчивости системы.

* Важнейший этап в развитии сетей — появление стандартных сетевых техноло­гий типа Ethernet, позволяющих быстро и эффективно объединять компьюте­ры различных типов.

«Использование вычислительных сетей дает предприятию следующие возмож­ности:

• разделение дорогостоящих ресурсов;

• совершенствование коммуникаций;

• улучшение доступа к информации;

• быстрое и качественное принятие решений;

• свобода в территориальном размещении компьютеров.

36 Глава1 • Общие принципы построения вычислительных сетей